[論文レビュー] Evidence for universal relationship between the measured 1/f permittivity noise and loss tangent created by tunneling atoms

Aruna Ramanayaka, Bahman Sarabi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、トンネル状態（TS）を有するアモルファス膜において、1/f分極率ノイズと損失タンジェントの普遍的関係を示し、ノイズを損失タンジェントおよび温度でスケーリングした場合、損失が5倍異なる膜間で不変であることを示している。この結果は、弱いTS-TS相互作用モデルを支持しており、量子コンピューティングや天体物理学に用いられる超伝導共振器における1/f周波数ノイズの予測を可能にする。

ABSTRACT

Noise from atomic tunneling systems (TSs) limit the performance of various resonant devices, ranging in application from astronomy detectors to quantum computing. Using devices containing these TSs, we study the $1/f$ permittivity noise and loss tangent in two film types containing different TS densities. The noise reveals an intrinsic value as well as the crossover to power-saturated noise. The intrinsic $1/f$ noise fits to the temperature dependence $1/T^{1+μ}$ where $0.2\leμ\le0.7$, which is related to previous studies and strongly interacting TS. An analysis of the noise normalized by the loss tangent and temperature is quantitatively identical for two film types, despite a factor of 5 difference in their loss tangent. Following from the broad applicability of the TS model, the data supports a universal relationship for amorphous-solid produced permittivity noise. The quantity of the observed noise particularly supports a recent model in which noise is created by weak TS-TS interactions.

研究の動機と目的

• トンネル状態（TS）を有するアモルファス膜における1/f分極率ノイズと損失タンジェントの関係を調査すること、特に超伝導共振器における応用を対象とする。
• 異なるTS密度および損失タンジェントを有する材料間で、ノイズが損失タンジェントにスケーリングされる関係が普遍的かどうかを特定すること。
• 最近提唱された理論的モデル（特に弱いTS-TS相互作用モデル）が、ノイズと損失の飽和実験データに対して有効であるかを検証すること。
• 量子コンピューティングおよび天文学的検出器に用いられる高Q共振器における誘電損失と1/f周波数ノイズを結びつける予測フレームワークを確立すること。
• 2種類の異なるアモルファス膜における出力電力および温度依存のノイズ行動を分析することで、従来のモデルの不一致を解消すること。

提案手法

• 15 mKで動作する $ f_0 \approx 4.7 $ GHz の超伝導アルミニウムLC共振器を用い、$ S_{\delta\nu/\nu}(f) $ を測定した。
• マイクロ波出力スイープを実施し、低出力での内在的（非飽和）ノイズと高出力での飽和状態を観察し、損失タンジェントの飽和行動と比較した。
• 内在的ノイズの温度依存性を分析し、$ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $ に適合させ、$ 0.2 \leq \mu \leq 0.7 $ とした。これは非自明な熱励起効果を示している。
• 正規化ノイズパラメータ $ \alpha_{TS} = A_0 \times N_{th} / \tan^2\delta $ を定義した。ここで $ A_0 $ は1 Hzのノイズ振幅、$ N_{th} $ は熱励起されたTS数、$ \tan\delta $ は測定された損失タンジェントである。
• 単一ドライバー・モーメント近似（$ p = 6 $ D）と $ P_0 \propto \tan\delta_0 $ を用い、損失タンジェントからTS密度を推定し、異なる材料間での比較を可能にした。
• ノイズの出力依存性を $ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $ にフィットさせ、$ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $ を抽出した。これは強い飽和行動を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるTS密度を有するアモルファス膜において、1/f分極率ノイズと損失タンジェントの間には普遍的スケーリング関係が存在するか？
• RQ2 観測された内在的ノイズの温度依存性は、強いか弱いかのTS-TS相互作用モデルを支持するか？
• RQ3 1/fノイズの出力依存性による飽和は、トンネル状態の損失タンジェントの飽和と定量的に結びつけられるか？
• RQ4 損失タンジェントが5倍異なる材料間で、正規化ノイズパラメータ $ \alpha_{TS} $ は一定のままであるか？これは普遍性を示唆するか？
• RQ5 観測されたデータは、代替モデルと比較して、Burinら（2015）の弱いTS-TS相互作用モデルをどの程度支持するか？

主な発見

• 損失タンジェントが5倍異なる2種類のアモルファス膜において、正規化ノイズパラメータ $ \alpha_{TS} $ は $ 1.0 $ にほぼ一定であり、普遍的スケーリング則であることを示している。
• 内在的1/fノイズは $ S_{\delta\nu/\nu} \propto T^{-1-\mu} $ と温度依存性を示し、$ \mu = 0.3 $ から $ 0.7 $ の範囲にある。これは弱い相互作用モデルにおける熱励起低エネルギーTSと整合的である。
• 出力依存性によるノイズ飽和は、$ A_0 / [1 + (V_{RMS}/V_N)^2]^{\beta_N} $ に良好にフィットし、$ \beta_N = 0.7 \pm 0.2 $ である。これは、以前に観測されていなかった強い飽和効果を示している。
• 測定された $ \alpha_{TS} $ 値は、$ T \leq 100 $ mK 時に、タイプ1で $ 0.80 \pm 0.26 $、タイプ2で $ 1.32 \pm 0.76 $ であり、いずれも弱い相互作用モデルによる理論的予測値 $ \alpha_{TS} \approx 1.0 $ と整合的である。
• 非標準的なTSエネルギー分布や強い相互作用を想定するモデルは、損失タンジェントが異なるにもかかわらず正規化ノイズが同一であるという事実から、排除される。
• 結果は、同じデバイス幾何形状を持つ任意のアモルファス膜において、誘電損失と温度から1/f周波数ノイズを予測可能であることを示唆している。